CN101367123A - 半固态合金浆料制备与成形的方法 - Google Patents

Abstract

一种半固态合金浆料制备与成形的方法，其特征是工艺步骤为为：将高过热度合金熔体浇入一个可绕其中心轴线按一定的频率和幅度做周期性非整周回转式摆动的冷却通道，流入浆料收集器中，获得含有大量自由晶的低固相率的半固态浆料；同时控制该合金浆料的后续冷却速度和温度分布，准确控制合金浆料的温度和固相率，获得所需固相率的半固态浆料。然后将该半固态浆料转移至压铸机的压射室、或挤压铸造机的压射室，使半固态浆料在压力下成形。本发明的技术效果是：更高效地制备高质量半固态浆料，制备的半固态浆料中初生相细小、球形或近球形、均匀地分布在基体中，并且初生固相内部无夹裹液相。

Description

半固态合金浆料制备与成形的方法

技术领域

本发明涉及一种合金浆料制备与成形的方法，尤其涉及一种半固态合金浆料制备与成形的方法。

背景技术

半固态成形技术被公认为21世纪最有前途的轻合金近净成形技术之一，包括触变成形和流变成形两条工艺路线。经过30多年的发展，半固态成形技术经历了从流变成形到触变成形再到流变成形的螺旋式发展历程。与触变成形相比，流变成形具有流程短、废料及时当地回收、节能低耗，成为国内外研究的重点和热点。

现有半固态合金浆料制备的方法有很多，例如英国专利UK 9922696提出了双螺旋机械搅拌流变成形工艺。中国专利CN 01109074.X描述了一种锥桶式半固态流变成形装置，CN 02104349.3提出了一种制备半固态合金浆料的方法和设备。欧洲专利EP 0745691A1提出了New Rheocasting(NRC)技术。美国专利US 6645323B2提出了Semi-solid Rheocasting(SSR)流变成形工艺。

最近几年来的研究发现，不用打碎枝晶组织也可以获得细小的、近球形的半固态组织。在凝固过程初期，通过控制形核和长大过程，即将合金保持在液相线温度附近能产生大量晶核，同时限制晶核生长，能获得半固态组织。上述介绍的机械搅拌、电磁搅拌、SSR、NRC就是该理论思想的典型代表。在这些工艺中基本上都采用了“低过热度”，即先将合金熔体温度控制在合金液相线温度附近，再进行浇注或进行各种搅拌或振动。类似的工艺还有：SLC(Sub-Liquidus Casting，文献Jorstad J L，Thieman M，KammR.Sub liquidus casting(SLC)：process concept and product properties[J].Transactions of the American Foundry Society，2003(111)：399-405.)、SEED(Swirled Enthalpy Equilibration Device，加拿大专利6428636)、CRP(Continuous Rheoconversion Process，文献Apelian D，Pan Q Y，Findon M.Low Cost and Energy Efficient Methods for theManufacture of Semi-solid(SSM)Feedstock[J].Die Casting Engineer，2004，48(1)：22-28.)、液相线铸造(中国专利CN 01116406.9)、超声振动(中国专利CN 200310115377.3)、H-NCM(Hong-NanoCasting Method，美国专利US 6938627)。但上述工艺过多依赖于低过热度浇注。虽然低过热度浇注有利于细化晶粒，但要求浇注温度必须控制在液相线附近，对温度控制的精度和均匀性要求非常高，在实际操作中有较大困难，特别是大体积浆料微观组织的均匀性方面，这是上述工艺尚未得到工业推广和应用的重要原因。目前，流变成形研究的合金主要集中在铸造类合金，如ZL101、AZ91D等，通用铸造合金凝固区间较大，便于浆料制备，但成形后的力学性能较低。变形铝合金是广泛用于航空、航天及汽车行业的轻金属之一，目前基本上都采用触变模锻工艺进行成形，但变形铝合金流变成形的相关研究和报道很少。另外，对易燃易氧化的合金，如镁合金、Al-Li系合金的研究也是非常有限的，易燃易氧化特性对工艺和设备均提出了特殊要求，会增加设备和工艺的复杂性，上述流变铸造工艺并不能充分解决该问题，在浆料制备过程中会对合金熔体产生二次污染。

综上所述，世界范围内对流变成形的研究方兴未艾，上述各种制备半固态浆及流变成形工艺和设备均有其优点和缺陷，开发新的半固态浆料制备及流变成形工艺和设备仍然是半固态成形领域研究的重点，以便简化工艺、降低成本、降低浆料制备过程对合金熔体产生的二次污染、扩大适用合金种类。

发明内容

本发明的目的是提供一种半固态合金浆料制备与成形的方法，该方法能快速获得细小、均匀分布、球形晶粒的半固态合金浆料，并将此浆料在压力下成形，可以实现浆料的连续制备，有效减少制备过程对合金熔体的二次污染，提高产品的力学性能，降低生产成本。

本发明是这样来实现的，其工艺方法步骤如下：

1、将合金在熔化炉内熔化、精炼和除渣。将该合金熔体的温度调整到其液相线温度以上0-200℃，最佳为30-150℃，再将该合金熔体通过进料漏斗浇入一个倾斜的冷却通道中，该合金熔体在自身重力下沿着冷却通道内壁向下流动。并使合金熔体流经冷却通道后的温度低于其液相线温度0.1-8℃，获得含有大量自由晶的低固相率的半固态浆料。

2、使流经冷却通道的合金熔体流入浆料收集器，通过控制加热元件和冷却元件，调控半固态合金浆料的冷却速度，调节半固态合金浆料的温度分布，使该半固态合金浆料在预定冷却速度下达到预定温度，该预定的半固态合金浆料温度对应于0.001-0.7的固相分数，最佳固相分数为0.3-0.6。该预定冷却速度为0.1-5℃/s，最好为0.1-3℃/s，在该冷却速度下，使半固态合金浆料温度场均匀，该半固态合金浆料的底部、顶部、边部和心部的温度差为±-3℃。将达到预定温度或预定固相分数的半固态合金浆料送入压铸机的压射室、或挤压铸造机的压射室，使半固态浆料在压力下继续凝固，完成一次流变成形循环。

3、或使流经冷却通道的合金熔体不流入浆料收集器中，而是直接流入压铸机的压射室、或挤压铸造机压射室，进一步控制该半固态合金浆料的冷却，使该半固态浆料在预定的冷却速度下达到预定的固相分数或该固相分数对应的温度。该预定的固相分数为0.1-0.9，但最佳范围是0.3-0.7。该预定的冷却速度为0.1-15℃/s，最佳为0.2-5℃/s。在此冷却过程中，控制成形前的半固态合金浆料整体的温度差±-3℃。当半固态浆料达到预定的固相分数或温度后，该半固态浆料被冲头推入模具型腔，在压力作用下完成半固态浆料成形。

在本发明方法中，合金熔体从冷却通道上方的浇嘴流入冷却通道，之后再流出冷却通道。该冷却通道的材质可以为金属或非金属，应根据合金熔体的材料进行选择；该冷却通道的内壁形状没有限制，可以是圆柱形、圆锥形、或多边形。

在本发明方法中，冷却通道中心轴线与水平方向的夹角为2-90度，最佳为20-60度；倾斜的冷却通道的工作温度应低于合金熔体的液相线温度，最佳为合金液相线温度的5％-30％，使经由冷却通道的合金熔体冷却，从而使流出冷却通道的合金熔体温度低于其液相线温度0.1-8℃。

在本发明方法中，该冷却通道绕其中心轴线按一定的频率和幅度做周期性的回转式摆动(非整周旋转)。摆动幅度为该冷却通道绕其中心轴线所转过的角度，为0.1-360度，最佳为1-120度；摆动频率为每分钟内该冷却通道绕其中心轴线所摆动的次数，为1-500次/分。

在本发明方法中，所述步骤1-3过程中，合金熔体均处于密封状态，根据合金熔体的材料，可以向冷却通道与浆料收集器内充入保护气体，避免高温熔体与空气接触。

在本发明中，实现该方法的装置是：

它包括进料漏斗、冷却通道、驱动齿轮、气体保护阀门、导料器、浆料收集器、推杆、浆料控制炉、冷却元件、加热元件、冲头、模具、压射室、支架。其特征是进料漏斗连接冷却通道，冷却通道与水平面成一定角度，使合金熔体在自身重力下沿着冷却通道内壁向下流动，冷却通道外壁连接驱动齿轮，通过驱动齿轮使冷却通道绕其中心轴线做周期性回转式摆动，支架固定冷却通道。在冷却通道下端口连接气体保护阀门，气体保护阀门连接导料器，导料器连接浆料收集器，浆料收集器在浆料控制炉内，浆料控制炉分别连接加热元件和冷却元件，通过调节加热元件和冷却元件，使浆料收集器内的半固态合金浆料在预定冷却速度下冷却，并且在浆料收集器下端连接推杆，推杆可推动浆料收集器将半固态合金浆料倒入模具内。将浆料收集器内的半固态合金浆料倒入压射室，压射室连接模具，冲头在压射室内自由滑动，通过冲头可将压射室内的半固态合金浆料推入模具中，在压力作用下完成半固态浆料成形。

本发明的技术效果是：更高效地制备高质量半固态浆料，制备的半固态浆料中初生相细小、球形或近球形、均匀地分布在基体中，并且初生固相内部无夹裹液相。本发明方法取消了复杂的机械搅拌和电磁搅拌，充分利用了合金熔体自身重力产生的剪切作用，大大提高了浆料制备工艺在实际生产中的可操作性。进一步控制该合金浆料后续的冷却速度和温度分布，准确控制合金浆料的温度和固相率，获得所需固相率的半固态浆料。该流变压铸或流变挤压铸造取消了触变成形中的二次加热过程，简化成形工艺流程、减少了设备投资，易于实现工业化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明成形装置一结构示意图。

图3为本发明成形装置二结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

1、将工业用ZL101铝合金在电阻炉内熔化，待合金熔体温度降至720℃时，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体的温度调整到690℃，并保温。

2、将过热度为75℃的ZL101合金熔体直接浇入到预热温度为620℃的进料漏斗内，合金熔体经进料漏斗流入与水平方向成30度角的冷却通道，并在振动幅度60度、振动频率60次/分的状态下流经冷却通道。冷却通道的温度保持在120℃。

3、最后，合金熔体流入浆料收集器。浆料收集器与温度控制器相连，该温度控制器的加热元件采用电阻丝加热、冷却元件采用循环水进行冷却，通过控制加热元件的功率和冷却元件的冷却水流量使得浆料收集器内的半固态浆料以0.6℃/s的速度进行冷却。通过将半固态浆料冷却到不同的温度，便可以获得不同固相率的半固态浆料。

实施例2

1、将工业用A1429铝合金在电阻炉内熔化，待合金熔体温度降至780℃时，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体的温度调整到730℃，并保温。

2、开启驱动机构和气体保护装置，将过热度为93℃的A1429合金熔体直接浇入到预热温度为650℃的进料漏斗内，合金熔体经进料漏斗流入与水平方向成50度角的冷却通道，并在振动幅度90度、振动频率85次/分的状态下流经冷却通道，冷却通道的温度保持在250℃。

3、最后，合金熔体流入浆料收集器。浆料收集器与温度控制器相连，该温度控制器的加热元件采用电阻丝加热、冷却元件采用循环水进行冷却，通过控制加热元件的功率和冷却元件的冷却水流量使得浆料收集器内的半固态浆料以0.2℃/s的速度进行冷却。通过将半固态浆料冷却到不同的温度，便可以获得不同固相率的半固态浆料。

实施例3

1、将工业用ZL101铝合金在电阻炉内熔化，待合金熔体温度降至720℃时，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体的温度调整到680-682℃，并保温。

2、开启驱动机构，将ZL101合金熔体直接浇入到预热温度为620℃的进料漏斗内，合金熔体经进料漏斗流入与水平方向成35度角的冷却通道，并在振动幅度60度、振动频率120次/分的状态下流经冷却通道。

3、合金熔体流入浆料收集器，控制温度控制器使得半固态浆料以0.8℃/s的速度进行冷却，并使得半固态合金浆料的底部、顶部、边部和心部的温度差为±1℃。

4、在半固态浆料缓慢冷却过程中，对半固态浆料的温度进行实时采集。当半固态浆料达到预定固相分数为0.5时，开启推出机构将该半固态浆料连同浆料收集器推出浆料控制炉，将该半固态浆料倒入压铸机的压射室内，在冲头的作用下，将半固态浆料推入模具内，在压力作用下完成半固态浆料的成形。

实施例4

1、将工业用A1429铝合金在电阻炉内熔化，待合金熔体温度降至780℃时，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体的温度调整到710℃，并保温。

2、开启驱动机构和气体保护装置，将A1429合金熔体直接浇入到预热温度为650℃的进料漏斗内，合金熔体经进料漏斗流入与水平方向成45度角的冷却通道，并在振动幅度15度、振动频率180次/分的状态下流经冷却通道。

3、合金熔体流入浆料收集器，控制温度控制器使得半固态浆料以0.3℃/s的速度进行冷却，并使得半固态合金浆料的底部、顶部、边部和心部的温度差为±1℃。

4、在半固态浆料缓慢冷却过程中，对半固态浆料的温度进行实时采集。当半固态浆料达到固相分数0.6时，开启推出机构将该半固态浆料连同浆料收集器推出浆料控制炉，将该半固态浆料倒入挤压铸造机的压射室内，在冲头的作用下，将半固态浆料推入模具内，在压力作用下完成半固态浆料的成形。

实施例5

1、将工业用AZ91D镁合金在电阻炉内熔化，待合金熔体温度降至720℃时，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体的温度调整到670℃，并保温。

2、开启驱动机构和气体保护装置，将AZ91D镁合金熔体直接浇入到预热温度为620℃的进料漏斗内，合金熔体经进料漏斗流入与水平方向成60度角的冷却通道，并在振动幅度10度、振动频率150次/分的状态下流经冷却通道。

3、合金熔体经导料器直接流入压铸机的压射室中。通过调节温度控制器，进一步控制半固态合金浆料在压射室中的冷却，使得半固态浆料以0.8℃/s的速度进行冷却，并使得半固态合金浆料的底部、顶部、边部和心部的温度差为±1℃。

4、在半固态浆料缓慢冷却过程中，对半固态浆料的温度进行实时采集。当半固态浆料达到固相分数0.4时，开启压射按钮，在冲头的作用下，将半固态浆料推入模具内，在压力作用下完成半固态浆料的成形。

如图1、图2、图3所示，上述实施例所需的装置包括进料漏斗1、冷却通道2、驱动齿轮3、气体保护阀门4、导料器5、浆料收集器6、推杆7、浆料控制炉8、冷却元件9、加热元件10、冲头11、模具12、压射室13、支架14。其特征是进料漏斗1连接冷却通道2，冷却通道2与水平面成一定角度，使合金熔体在自身重力下沿着冷却通道2内壁向下流动，冷却通道2外壁连接驱动齿轮3，通过驱动齿轮3使冷却通道2绕其中心轴线做周期性回转式摆动，支架14固定冷却通道2。在冷却通道2下端口连接气体保护阀门4，气体保护阀门4连接导料器5，导料器5连接浆料收集器6，浆料收集器6在浆料控制炉8内，浆料控制炉8分别连接加热元件10和冷却元件9，通过调节加热元件10和冷却元件9，使浆料收集器6内的半固态合金浆料在预定冷却速度下冷却，并且在浆料收集器6下端连接推杆7，推杆7可推动浆料收集器6将半固态合金浆料倒入模具12内。将浆料收集器6内的半固态合金浆料倒入压射室13，压射室13连接模具12，冲头11在压射室13内自由滑动，通过冲头11可将压射室13内的半固态合金浆料推入模具12中，在压力作用下完成半固态浆料成形。

Claims (3)

1.一种半固态合金浆料制备与成形的方法，其特征在于按下述方法制备：

(1)将合金在熔化炉内熔化、精炼和除渣，将该合金熔体的温度调整到其液相线温度以上0-200℃，最佳为30-150℃，再将该合金熔体通过进料漏斗浇入一个倾斜的冷却通道中，该合金熔体在自身重力下沿着冷却通道内壁向下流动，并使合金熔体流经冷却通道后的温度低于其液相线温度0.1-8℃，获得含有大量自由晶的低固相率的半固态浆料；

(2)使流经冷却通道的合金熔体流入浆料收集器，通过控制加热元件和冷却元件，调控半固态合金浆料的冷却速度，调节半固态合金浆料的温度分布，使该半固态合金浆料在预定冷却速度下达到预定温度，该预定的半固态合金浆料温度对应于0.001-0.7的固相分数，最佳固相分数为0.3-0.6，该预定冷却速度为0.1-5℃/s，最好为0.1-3℃/s，在该冷却速度下，使半固态合金浆料温度场均匀，该半固态合金浆料的底部、顶部、边部和心部的温度差为±-3℃，将达到预定温度或预定固相分数的半固态合金浆料送入压铸机的压射室、或挤压铸造机的压射室，使半固态浆料在压力下继续凝固，完成一次流变成形循环；

(3)或使流经冷却通道的合金熔体不流入浆料收集器中，而是直接流入压铸机的压射室、或挤压铸造机压射室，进一步控制该半固态合金浆料的冷却，使该半固态浆料在预定的冷却速度下达到预定的固相分数或该固相分数对应的温度，该预定的固相分数为0.1-0.9，但最佳范围是0.3-0.7，该预定的冷却速度为0.1-15℃/s，最佳为0.2-5℃/s，在此冷却过程中，控制成形前的半固态合金浆料整体的温度差±-3℃，当半固态浆料达到预定的固相分数或温度后，该半固态浆料被冲头推入模具型腔，在压力作用下完成半固态浆料成形。

2.如权利要求1所述的一种半固态合金浆料制备与成形的方法，其特征在于冷却通道中心轴线与水平方向的夹角为2-90度，最佳为20-60度；倾斜的冷却通道的工作温度应低于合金熔体的液相线温度，最佳为合金液相线温度的5％-30％。

3.如权利要求1所述的一种半固态合金浆料制备与成形的方法，其特征在于该冷却通道绕其中心轴线按一定的频率和幅度做周期性的非整周回转式摆动，摆动幅度为该冷却通道绕其中心轴线所转过的角度，为0.1-360度，最佳为1-120度；摆动频率为每分钟内该冷却通道绕其中心轴线所摆动的次数，为1-500次/分，合金熔体均处于密封状态。

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